利用FPGA實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的家用電器設(shè)計(jì)

作者：時(shí)間：2011-07-28 來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)

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電能的高效率應(yīng)用能夠使家用電器成本降低并保護(hù)環(huán)境。絕大多數(shù)的家用電器，如電冰箱、洗衣機(jī)、烘干機(jī)、洗碗機(jī)以及空調(diào)，都是由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的。這些設(shè)備通常包括了電源、電機(jī)、電機(jī)控制電路和機(jī)械系統(tǒng)。我們可以采用多種方法來(lái)改善系統(tǒng)效率。包括：

1. 維持電壓恒定；

2. 盡量減少相位不平衡；

3. 維持功率因數(shù)恒定；

4. 保持良好的電源質(zhì)量；

5. 采用可調(diào)式速度驅(qū)動(dòng)或雙速電機(jī)；

6. 控制好溫度；

7. 匹配電機(jī)運(yùn)行速度。

利用數(shù)字電路或FPGA控制模擬電機(jī)電路將使系統(tǒng)成本和功耗大大降低。采用FPGA除了可以節(jié)能之外，還能夠?qū)⑶度胧綌?shù)字信號(hào)處理(DSP)、微控制器、I/O接口等功能整合到一起，從而實(shí)現(xiàn)完整的家電設(shè)計(jì)。

脈沖寬度調(diào)制

用數(shù)字方式控制模擬電機(jī)電路的一種典型方法是采用脈沖寬度調(diào)制(PWM)。此時(shí)方波的時(shí)間周期是恒定的，而接通時(shí)間(TON)即信號(hào)保持高電平的時(shí)間可以被改變或調(diào)制。因此，信號(hào)的占空比或平均直流電平是變化的。借助于數(shù)字系統(tǒng)的支持，PWM已經(jīng)成為控制模擬電路的一種極好方式。圖1就是數(shù)字脈沖的接通時(shí)間改變的例子。

應(yīng)用實(shí)例包括電壓調(diào)整，即通過(guò)改變占空比將輸出電壓控制到所要求的電平。另一個(gè)例子是功率發(fā)送，這時(shí)的平均發(fā)送功率是調(diào)制占空比的函數(shù)。PWM的實(shí)現(xiàn)取決于具體的使用方法，對(duì)于簡(jiǎn)單的電壓調(diào)整，可以使用CPLD(例如Altera MAX II)實(shí)現(xiàn)，而對(duì)于需要利用內(nèi)部DSP模塊的復(fù)雜控制算法，可以使用低成本的FPGA(例如Altera Cyclone III)實(shí)現(xiàn)。

圖2是PWM的基本方框圖，而圖3則是一個(gè)驅(qū)動(dòng)模擬電機(jī)接口電路的調(diào)制輸出。UP和DOWN輸入信號(hào)被用來(lái)調(diào)整輸出信號(hào)的占空比，它們可以由微控制器產(chǎn)生。第一個(gè)模塊利用所有MAX II器件中都有的UFM振蕩器來(lái)產(chǎn)生兩個(gè)頻率不同的時(shí)鐘。來(lái)自該模塊的4位輸出信號(hào)DUTY_CYCLE的增加或降低取決于UP或DOWN信號(hào)的證實(shí)。第二個(gè)4位輸出信號(hào)COUNT以第一個(gè)模塊中產(chǎn)生的較高時(shí)鐘頻率連續(xù)增加。該信號(hào)與第二個(gè)模塊中相同頻率的DUTY_CYCLE信號(hào)進(jìn)行比較。比較的結(jié)果是分配到最終輸出信號(hào)PWM的單個(gè)位。信號(hào)DUTY_CYCLE是一個(gè)4位的變量，因此輸出信號(hào)的占空比具有16個(gè)不同的取值。在本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)中，輸入U(xiǎn)P的優(yōu)先級(jí)要高于DOWN。因此，如果兩個(gè)信號(hào)同時(shí)為高電平，輸出信號(hào)將被視作占空比的增加。